生物质选择性热解制备高品质生物油的方法及装置

摘要

一种生物质选择性热解制备高品质生物油的方法及装置，本发明基于生物质的各主要化学组分(纤维素、半纤维素和木质素)具有不同的热分解特性，结合快速热解的技术要求，提出一种通过螺旋热解反应器、浅床流化床和深床流化床三级系统在不同温度下对生物质进行选择性快速热解的技术方案，可分级制备出不同的产品。其中，第一级制得一定量有机酸(主要是乙酸)和醛类产品；第二级制得一定量酚类产品；第三级得到本系统的主要产品生物油。通过选择性分级热解最终制得的生物油具有水分、酸性物质及固体颗粒物含量低，储运稳定性好的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用生物质原料热解制备生物油的方法及其装置。

背景技术

目前，发达国家以生物能源和化工产品生产为主的生物质产业正在蓬勃兴起，其中，用生物质快速热解技术制取生物油，大力发展生物能源以替代化石燃料，是当前的研究主流和发展前沿。由于生物质快速热解条件非常苛刻，目前用生物质热解制备的生物油，存在氧含量高，腐蚀性和粘度较大，化学成分复杂和储存不稳定等问题，要替代石油燃料尚有一定距离。

CN02112008.8t和CN02218043.5公开了一种生物质整合式热裂解分级制取液体燃料的技术和装置，采用变截面流化床反应器，高、中、低冷凝器组成的分级冷凝系统，通过分级冷凝获取不同馏分的生物油。该技术仍存在热解综合利用率低和生物油品质不高等问题。

发明内容

本发明的目的是基于生物质的各主要化学组分(纤维素、半纤维素和木质素)具有不同的热分解特性，结合快速热解的技术要求，提出一种生物质选择性热解制备高品质生物油的方法及装置。

本发明所提出的生物质选择性热解制备高品质生物油的方法，包括以下工艺步骤：

(一)、一级低温热解步骤：将破碎成细颗粒的生物质原料输入螺旋热解反应器中于200～280℃(优选240～260℃)的热解温度下进行低温热解，产生生物质的热解气和热解残焦，收集所产生的热解气进行冷凝脱水获得醛类及有机酸化学品；

(二)、二级低温热解步骤：将上一步骤产生的热解残焦输入浅床流化床中于300～350℃(优选310～330℃)的热解温度下进一步进行低温快速热解，浅床流化床的气流速度控制在0.1～0.5m/s，产生含小分子酚类化合物的热解气和富含纤维素及部分木质素的热解固体产物，所产生的含小分子酚类化合物的热解气通过设在浅床流化床中的内置旋风分离器进行气固分离后引入冷凝塔，热解气中的可凝气经冷凝后，获得小分子酚类化学品；

(三)、三级热解步骤：将步骤(二)产生的热解固体产物由设在浅床流化床密相区中上部的固体产物出口引入深床流化床，于450～600℃(优选480～550℃)温度下进行快速热解，深床流化床的气流速度控制在0.2～0.8m/s，将产生的热解气通过设在深床流化床中的管束过滤器过滤掉热解气中所携带的固体颗粒后引入列管换热器，热解气中的可凝气体经列管换热器冷凝后，得高品质燃油，收集于生物油收集罐之中；

(四)、高温烟气产生步骤：将由深床流化床顶部出口流出的热解气、列管换热器下部出口流出的未冷凝热解气和冷凝塔气体出口流出的未冷凝热解气引入燃烧室充分燃烧产生的高温烟气，经旋风分离器净化后分别输送到螺旋热解反应器、浅床流化床和深床流化床烟气进口。

用于实施本发明方法的装置，其系统结构包括：螺旋热解反应器、浅床流化床、深床流化床、燃烧室、冷凝塔、列管换热器和生物油收集罐，所述的螺旋热解反应器用于对生物质原料进行低温热解，该反应器的前端设有进料斗，后端设有热解气出口和热解残焦出口，反应器内有螺旋推进轴，外设加热套，所述的螺旋推进轴为渐扩式结构，即螺旋推进轴的直径沿物料推进方向逐渐扩大；所述的浅床流化床用于对螺旋热解反应器产生的热解残焦进一步进行低温快速热解，螺旋热解反应器的热解残焦出口通过第一星型卸料阀和第一螺旋进料器连接到浅床流化床的进料口，浅床流化床的下方设有高温烟气进口，中下部设有固体产物出口，中上部设有内置旋风分离器，内置旋风分离器的出口从浅床流化床的上部引出，与冷凝塔连接，冷凝塔下部设有冷凝液输出口和未冷凝气体出口；所述的深床流化床用于对浅床流化床产生的热解固体产物再次进行快速热解，浅床流化床的固体产物出口通过第二星型卸料阀和第二螺旋进料器连接到深床流化床的进料口，在深床流化床的下部设有高温烟气进口，中部设有管束过滤器，上部设有气体出口，管束过滤器的输出端与列管换热器的输入端连接，列管换热器的下部设有未冷凝气体输出管道和冷凝油液输出管道，该冷凝油液输出管道与生物油收集罐连接；所述的燃烧室用于产生供给螺旋热解反应器、浅床流化床和深床流化床热解反应所需的高温烟气热源，该燃烧室具有燃气输入口、空气输入口和高温烟气输出口，其燃气输入口分别与深床流化床上部的气体出口、列管换热器下部的气体输出管道和冷凝塔的未冷凝气体出口连接，引入热解气或未冷凝热解气，与由空气输入口鼓入的空气相互作用而燃烧产生的高温烟气，从高温烟气输出口，经旋风分离器净化后输出。

在本发明的螺旋热解反应器，其螺旋推进轴采用渐扩式结构，目的是使生物质原料在反应器一边热解一边被螺旋推进轴向前推动过程中，因螺旋推进轴的轴径逐渐扩大，不断加强对物料碾压，最终能使形成的热解残焦成碎颗粒输入下一工艺步骤。所述的螺旋热解反应器的螺旋推进轴的最小直径与最大直径的比值可设计为1∶3～1∶1.5。

以下为本发明装置各部分结构的适宜的设计方案：

所述的浅床流化床的进料口位于浅床流化床下部1/6～1/4流化床高的位置；

所述的浅床流化床的固体产物出口位于浅床流化床中下部1/5～1/3流化床高的位置；

所述的浅床流化床的高径比为1∶1～1∶4；

所述的深床流化床的高径比为1∶5～1∶15；

所述的深床流化床的进料口位于深床流化床下部1/6～1/3流化床高的位置；

所述的内置旋风分离器的料腿伸入浅床流化床的密相区内；

所述的管束过滤器的直管下部伸入深床流化床的密相区内，伸入长度占直管长度的1/2～1/3。

所述的管束过滤器的上过滤用小孔孔径为5μm～30μm。

本发明根据生物质的各主要化学组分(纤维素、半纤维素和木质素)具有不同的热分解特性，通过三级系统在不同温度下对生物质进行选择性快速热解，可分级制备出不同的产品，第一级制得一定量有机酸(主要是乙酸)和醛类产品；第二级制得一定量酚类产品；第三级得到本系统的主要产品生物油。由于选择性热解制取，最终制得的生物油具有低含水量、腐蚀性小、性质稳定的特点，所制得的生物油可达到以下技术指标：生物油水分降低15％以下(常规快速热解20～30％)，提高pH值(3.0～4.5)以降低生物腐蚀性(常规快速热解pH值＝2)，降低生物油中的固体颗粒物含量＜0.1％。同时获得一定量醛类和有机酸、小分子酚类化合物等化学品产物。

因此，本发明可实现以下的技术效果：

(1)高效率，对生物质中各主要化学组分进行选择性快速热解，可以实现其资源和能量的综合利用，具有较高的转化效率。

(2)由于在流化床内采用管束过滤器，所得生物油颗粒物含量低，储运稳定性好。

(3)低成本，由于本项目可以同时获得高品质生物质燃油和高附加值的化学品，降低了后处理成本，提高了整个系统的经济性。

(4)实用性，选择性快速热解技术适用于分布式的生物质燃油制备，对于拥有农林废弃物资源较为丰富的农村或林场用户，具有较好的实用性。

附图说明

图1是本发明的生物质选择性热解制备高品质生物油的装置的系统结构图。

图中标识：1、螺旋热解反应器；1-1、螺旋热解反应器的热解气出口；1-2、螺旋热解反应器的热解固体出口；2、浅层流化床；3、深床流化床；4、燃烧室；4-1、燃烧室旋风分离器；5、冷凝塔；5-1、冷凝液输出口；5-2、冷凝塔气体出口；6、列管换热器；6-1、管束过滤器；6-2、列管换热器气体输出管道；7、生物油收集罐；8、流化床床料回送管；9、螺旋推进轴；10、螺旋推进轴叶片；11、进料斗；12、外加热套；13、外加热气入口；14、外加热气出口；16、第一星型卸料阀；17、第一螺旋进料器；18、内置旋风分离器；19、内置旋风分离器料腿；20、浅层流化床进气口；22、浅层流化床固体产物出口；23、第二星型卸料阀；24、第二螺旋进料器；25、深床流化床气体进口；26、深床流化床顶部气体出口；27、燃烧室空气进口；28、燃烧室烟气出口；29、烟气出口。

具体实施方式

以下是对本发明具体实施方式的进一步详细说明，不应作为对本发明的限制。

设计如图1所示的生物质选择性热解制备高品质生物油的装置，并应用该装置以下方法和流程对生物质进行选择性快速热解制高品质燃油和化学品：

经干燥破碎到指定粒径的生物质储存在进料斗11内，在螺旋热解反应器1的旋转推进轴9作用下连续进入螺旋热解反应器1内。在外加热套12加热下，生物质在螺旋热解反应器内于250℃温度下进行低温热解(一级低温热解步骤)。热解气从热解气出口1-1流出，该热解气经冷凝脱水后可以得到高附加值醛类及有机酸等化学品，外加热套12加热热源为从外加热气入口13流入，从外加热气出口14流出的高温烟气。高温烟气与生物质呈顺流布置，以保证在整个螺旋热解反应器1内形成较均匀的温度场(温度控制在250℃)。螺旋推进轴2采用渐扩式设计，螺旋推进轴9的最小直径与最大直径的比值为1∶2，由螺旋热解反应器的热解固体产物出口1-2输出的热解残焦在第一星型卸料阀16控制下连续进入第一螺旋进料器17，并在其推动下连续进入浅层流化床2的进料口，该进料口位于浅床流化床下部1/5流化床高的位置，通过控制第一星型卸料阀16的运动，可以控制物料在螺旋热解反应器1内的停留时间，同时在螺旋热解反应器1和第一螺旋进料器17之间形成气密防止窜气；浅床流化床的高径比为1∶2，进入浅层流化床2的热解残焦，在浅层流化床进气口20供入的高温烟气作用下进一步热解(二级低温热解步骤)，其热解温度控制在320℃，浅层流化床2产生的热解气体产物在流出浅层流化床2之前先经过内置旋风分离器18分离气体产物中的固体颗粒，然后进入冷凝塔5，其中的可冷凝气被冷凝后，可得到小分子酚类化学品，由冷凝塔5的底部冷凝液输出口5-1输出，热解气体产物中的未冷凝气则从冷凝塔气体出口5-2流出冷凝塔5，冷凝塔气体出口5-2通过管道与燃烧室4相连，内置旋风分离器18的料腿19放置在浅层流化床2的密相区内，从内置旋风分离器18分离出来的固体颗粒直接被返回到密相区内，浅层流化床2的固体产物出口设置的密相区的中上部，流化床内的物料反应一定时间后形成的热解固体产物可以直接从浅层流化床固体产物出口22流出，经第二星型卸料阀23和第二螺旋进料器24输入深床流化床3的进料口，该进料口位于深床流化床下部1/5流化床高的位置，流化床的高径比为1∶10，物料在浅层流化床内的停留时间可以通过第二星型卸料阀23的转动速度来控制，第二星型卸料阀23同时也用于保持浅层流化床固体产物出口22和第二螺旋进料器24之间的气密，防止窜气。从第二星型卸料阀23排出的热解固体产物在第二螺旋进料器24的作用下被推入深床流化床3内；进入深床流化床3的物料在深床流化床气体进口25供入的高温烟气和空气混合物作用下进一步热解(三级热解步骤)，热解温度控制在500℃，部分物料发生氧化反应放热，为将深床流化床3维持在需要的温度提供部分热量，物料在深床流化床中产生的热解气体产物通过管束过滤器6-1过滤掉气体产物中携带的固体颗粒，所述的管束过滤器6-1的直管上过滤用的孔径为10μm，经过滤的热解气体进入列管换热器6，该热解产气中的可冷凝气体在列管换热器中被冷凝下来，并收集在生物油收集罐7中，热解产生的少量固体灰渣随气流一起从深床流化床顶部气体出口26流出深床流化床3，从流化床顶部气体出口26流出的热解气通入燃烧室4，列管换热器中的未冷凝气则通过下部的列管换热器气体输出管道6-2通入燃烧室4；通入燃烧室中的各种热解气与从燃烧室空气进口27鼓入的空气作用下充分燃烧形成高温烟气，少量被热解气带出流化床床料通过流化床床料回送管8送回深床流化床3。该高温烟气从燃烧室烟气出口28流出燃烧室4，经燃烧室旋风分离器4-1分离出其中的残碳后，成干净的烟气从烟气出口29流出，分别被供入螺旋热解反应器的外加热气入口13、浅层流化床气体进口20、深床流化床气体进口25，为各设备提供需要的高温烟气，在燃烧室旋风分离器4-1分离出来的残碳则被送循环会回燃烧室继续燃烧，燃烧室中被热解气带来的流化床床料还可通过流化床床料回送管8回输入深床流化床3。